近年来，基于计算机和互联网的数字化技术高速发展，深入参与到科学研究、经济发展和社会管理的方方面面。从物理学的角度看，数字化技术的核心在于对电子和光子的离散化调控：对电子（费米子）的调控形成了电子技术，对光子（玻色子）的调控形成了光子技术，它们构成了数字经济的科技基础。在现代社会，数字信息的存储、处理、传输、显示等都与电子和光子技术密切相关。

   从自然的模拟信号向人造的数字信号发展（即数字化）是电子和光子技术的重要趋势。历史上，电子技术的数字化取得巨大成功。在电子技术的数字化过程中，真空管被晶体管替代，二极管、三极管和逻辑门等基本元件不断地小型化、集成化，推动了集成电路技术以及计算机领域的迅猛发展。例如，世界上第一台通用电子计算机ENIAC采用电子管进行计算，占地面积约170平方米、重达27吨，但每秒仅能进行5000次加法运算；作为对比，今天普通商用计算机芯片的算力都已达到数百亿次每秒（浮点运算）。

   长期以来，电子芯片的发展遵循摩尔定律（芯片上集成的电路数目每隔18个月翻一番），而支撑摩尔定律不断发展的是光学微细加工技术。与光学加工技术逐渐逼近“衍射极限”同步，电子芯片的物理尺寸也已经逼近物理极限，特别是在经典冯?诺依曼架构下，存在着存储墙、功耗墙等难以逾越的瓶颈。早在20多年前，国际上即有人预言“后摩尔时代”即将来临。

数字化推动光子技术发展

   光子技术是21世纪信息领域国际公认的核心技术之一。与电子相比，光子具有光速传播、天然的并行和复用能力、低功耗等特征，特别适合人工智能所需的大数据并行计算等场景。借助神经形态光子学，光子计算机的理论计算速度可达到电子计算机的1000倍以上。

   尽管光子技术具有诸多优势，但不得不面对一个事实，20世纪中期以来，光子技术在数字化方面远远落后于电子技术：与尺寸不断缩小的电子器件相比，相机、投影仪等光学系统的体积虽然有所小型化，但其缩小程度仍十分有限；在集成光子学中，由于“衍射极限”的限制，光子波导的宽度约为微米量级，比集成电路的特征尺寸大了10~100倍。显然，如何实现类似于数字电子的小型化、集成化、高性能数字光学技术，是光学和光子学领域关注的重点。

   从本质上讲，电子和光子的方程和波函数有诸多相似之处，都可以在数字和模拟之间进行转换。因此，从早期的双缝干涉实验开始，到二元光学，再到现在的亚波长光学，光子的数字化也在不断演进。在经典的杨氏双缝干涉实验中，光子透过两个狭缝后在屏上呈现数字化的干涉效果，强度分布0和1交替出现，产生了数字化的雏形。1818年，法国科学家Augustin-Jean Fresnel首次提出了波带片的概念。约60年后，Rayleigh制作了世界上第一块波带片。1967年，美国光学家Joseph Goodman提出数字全息技术，用光电传感器代替干板记录全息图，从而实现光学全息的数字化再现。

   20世纪80年代中期，麻省理工学院林肯实验室提出了二元光学的概念，开创了将集成电路工艺引入光学元件制造的先河。21世纪以来，数字光学的调控尺度深入到亚波长尺度，催生了以表面等离子体亚波长光学、超构透镜、悬链线光学等为代表的新方向。正如2009年Joseph Goodman所说，随着激光光源、电子计算机以及微细加工工具的发展，数字光学这一领域终于开始蓬勃发展。

数字光学成为研究新热点

   数字光学的内涵主要有三点。一是通过光子—电子融合，实现数字电子向数字光学的转变，同时利用离散化结构中的几何相位和界面相位等新的物理效应调控振幅、相位、偏振、频率、空间频率等参量；二是智能化设计，传统光学元件和系统的设计更多地依赖于经验，通过数字计算机和人工智能，可实现数字光学器件的按需智能设计；三是微电子兼容的加工，传统的光学加工依赖于注塑、磨削、抛光等工艺，难以和电子技术一体化，数字光学元件采用微电子工艺来批量复制，有望在同一产线实现光学和电子器件的集成。

   广义的数字光学包括建立在数字化设计、数字化加工、数字化控制基础上的光学理论和技术等。主要的数字化特征包括：形貌方面，由规则向自由化发展，微结构由简单规则的图形变成了复杂化图形；分析方法方面，随着特征尺寸的缩小以及数值孔径的增大，传统的标量分析方法已无法满足需求，处理方法进入矢量光学范畴；设计方面，传统启发式的优化设计难以用于超大规模亚波长结构的优化设计，此时，基于物理驱动和数据驱动的智能设计就成为了必然选择；调控维度方面，数字光学由单一的相位调控向振幅、相位和频谱同时调控发展，使更多维度的应用成为可能；时域调控方面，新材料和新技术的引入使得动态调控速度有望得到大幅提升。

数字光学产业前景广阔

   数字光学有着广阔的产业前景，包括数字光加工、数字光成像、数字光显示、数字光传感、数字光通信、数字光存储、数字光计算等等。当前数字光学的发展仍然处于初级阶段，有一些问题需要解决，比如智能设计方法和软件、软硬件协同优化、跨尺度高精度批量制造、可编程智能重构、标准化的建立等。软硬件协同优化是数字光学未来发展的重点方向之一。以光学成像系统为例，超构透镜本身具有灵活的相位调控能力，但随着口径增大，色差越来越难以消除。此时，采用后端算法来校正色差可以实现数字化结构与数字化处理的完美融合，从而在不增加系统体积重量的条件下大幅度提升成像性能。

   标准化是实现数字光学产业前景的必然举措，具体包括标准化的设计、制造、测量以及集成等。只有建立起数字光学领域的相关标准，才有可能像电子技术一样，快速推进数字光学产业赛道的形成。■

（作者系中国工程院院士、中国科学院光电技术研究所所长，记者高雅丽根据其在世界数字经济论坛的发言整理）